Forscher der University of California, Irvine, haben ein DNA-Enzym – oder DNAzyme – entwickelt, das zwischen zwei RNA-Strängen innerhalb einer Zelle unterscheiden und den krankheitsassoziierten Strang schneiden kann, während der gesunde Strang intakt bleibt. Diese bahnbrechende „Gen-Silencing“-Technologie könnte die Entwicklung von DNAzymen zur Behandlung von Krebs, Infektionskrankheiten und neurologischen Störungen revolutionieren.
DNAzyme sind Nukleinsäureenzyme, die andere Moleküle schneiden. Durch Chemie entwickelte das Team von UCI das Enzym Dz 46, das spezifisch auf die allelspezifische RNA-Mutation im KRAS-Gen abzielt, dem Hauptregulator für Zellwachstum und -teilung, der bei 25 Prozent aller Krebserkrankungen beim Menschen vorkommt. Eine Beschreibung, wie das Team diese Enzymevolution erreicht hat, wurde kürzlich im Online-Journal veröffentlicht Naturkommunikation.
„Die Generierung von DNAzymen, die unter den natürlichen Bedingungen von Zellsystemen effektiv funktionieren können, war eine größere Herausforderung als erwartet“, sagte der korrespondierende Autor John Chaput, UCI-Professor für pharmazeutische Wissenschaften. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die chemische Evolution den Weg für die Entwicklung neuartiger Therapien für ein breites Spektrum von Krankheiten ebnen könnte.“
Gene Silencing ist seit mehr als 20 Jahren verfügbar und einige von der FDA zugelassene Medikamente enthalten verschiedene Versionen der Technologie, aber keines kann eine einzelne Punktmutation in einem RNA-Strang unterscheiden. Der Vorteil des Dz 46-Enzyms besteht darin, dass es eine spezifische Genmutation identifizieren und schneiden kann, was Patienten eine innovative medizinische Präzisionsbehandlung bietet.
Das DNAzyme ähnelt dem griechischen Buchstaben Omega und wirkt als Katalysator, indem es chemische Reaktionen beschleunigt. Die „Arme“ links und rechts binden an die Zielregion der RNA. Die Schleife bindet an Magnesium und faltet und schneidet die RNA an einer ganz bestimmten Stelle. Aber die Generierung von DNAzymen mit robuster Multiple-Turnover-Aktivität unter physiologischen Bedingungen erforderte etwas Einfallsreichtum, da DNAzyme normalerweise sehr abhängig von Magnesiumkonzentrationen sind, die nicht in einer menschlichen Zelle gefunden werden.
„Wir haben dieses Problem gelöst, indem wir das DNAzyme mithilfe von Chemie neu konstruiert haben, um seine Abhängigkeit von Magnesium zu verringern, und zwar so, dass wir eine hohe katalytische Umsatzaktivität aufrechterhalten konnten“, sagte Chaput. „Unsere ist eines der allerersten, wenn nicht sogar das erste Beispiel dafür. Die nächsten Schritte bestehen darin, Dz 46 so weit voranzubringen, dass es für vorklinische Versuche bereit ist.“
Die Teammitglieder Kim Thien Nguyen, Projektwissenschaftler, und Turnee N. Malik, Postdoktorand, beide vom Department of Pharmaceutical Sciences, nahmen ebenfalls an dieser Studie teil.
Die Forscher und UCI haben vorläufige Patentanmeldungen zur chemischen Zusammensetzung und Spaltpräferenz von Dz 46 eingereicht. Chaput ist Berater des Arzneimittelentwicklungsunternehmens 1E Therapeutics, das diese Arbeit unterstützt hat.
Mehr Informationen:
Kim Nguyen et al, Chemische Evolution eines autonomen DNAzyms mit allelspezifischer Gene-Silencing-Aktivität, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-38100-9